TWI445079B - A plasma etching method for etching carbon - containing layers - Google Patents

Description

一種刻蝕含碳層的等離子刻蝕方法

本發明涉及半導體器件的製造領域，尤其涉及一種含碳層的等離子刻蝕方法。

刻蝕工藝是指在製造半導體器件過程中採用化學溶液或腐蝕性氣體或等離子體除去晶圓內或晶圓表面膜層中不需要的部分的工藝。通常主要用化學溶液進行刻蝕的方法為濕法刻蝕，採用腐蝕性氣體或等離子體進行刻蝕的方法為幹法刻蝕。目前，可以使電路圖形變得更精細的幹法刻蝕得到越來越廣泛的使用。

濕法刻蝕中，用強酸的化學反應進行各向同性刻蝕，即使被掩膜覆蓋的部分也可以被刻蝕。相反，幹法刻蝕用反應離子刻蝕，其中，用例如等離子態的鹵素的腐蝕性化學氣體和等離子態離子進行刻蝕。因此，幹法刻蝕可以實現只在晶圓上按垂直方向進行刻蝕的各向異性刻蝕，所以，幹法刻蝕適用于要求高精度的精細工藝，例如，適用於甚大型積體電路(VLSI)工藝。

傳統的等離子處理裝置包含導入處理氣體的反應腔室，所述反應腔室內配置有由一對上部電極和下部電極組成的平行平板電極。在將處理氣體導入反應腔室內的同時，在下部電極上施加高頻電壓，在電極間形成高頻電場，在高頻電場的作用下形成處理氣體的等離子體。

現有工藝在刻蝕絕緣層或低k介電質層(比如，主要成份為SiO₂ 或SiOC)時，在形成通孔圖形的過程中，通常採用C_x F_y 化合物，在被刻蝕的目標層含碳時會在刻蝕氣體中添加O₂ ，該C_x F_y 化合物可以是CF₄ 、C₂ F₆ 、C₃ F₈ 、C₄ F₈ 、C₄ F₆ 、C₅ F₈ 等。經過高頻電場的作用，形成等離子體，對絕緣層進行刻蝕。由於光刻膠的強度不夠，所以光刻膠在絕緣層刻蝕中很容易被入射的等離子體中的離子轟擊而造成變形，所以現在工業界常用光刻膠為掩膜來刻蝕一層硬掩膜層(比如無定形碳)，來作為刻蝕下層絕緣層的硬掩膜。在從光刻膠的圖形轉移到硬掩膜的圖形過程中，要保證被轉移到硬掩膜上的圖形不會變形就要保證在刻蝕硬掩膜的過程中不會發生側壁刻蝕，並最終造成尺寸偏移。為了保證對含碳硬掩膜層足夠的刻蝕速率，刻蝕氣體在等離子條件下必須能夠和刻蝕的目標材料自發反應，現有技術通常用氧氣。但是這樣一來刻蝕就不具有了方向性，成為等方向性刻蝕(isotropic etch)。在器件精度要求越來越高的趨勢下，這無疑不能滿足刻蝕要求。側壁被刻蝕造成的典型外觀特徵就是從掩膜向下刻蝕中側壁出現如圖7所示的弧形輪廓線，使得刻蝕所得的線條尺寸與掩膜所定義的線條尺寸出現很大的關鍵尺寸偏移(CD shift)。所以現有工藝通常會在刻蝕的同時在刻蝕反應氣體中添加側壁保護氣體，以使側壁不被刻蝕氣體刻蝕掉。

除了刻蝕含碳掩膜層要用到側壁保護氣體和刻蝕氣體的混合氣體，位於光刻膠下的防反射層(ARC)由於也要用刻蝕氣體刻蝕形成所需的圖形，所以也需要在刻蝕的同時在刻蝕反應氣體中添加側壁保護氣體以使刻蝕形成的圖形更精確。

用刻蝕氣體和側壁保護氣體的混合氣體同時供應反應，可以實現非等向性刻蝕(anisotropic etch)，但是對刻蝕速率會有很大的影響，造成刻蝕率降低，而且由於刻蝕氣體、側壁保護氣體和刻蝕目標層、甚至目標層上的掩膜層均參與了整個反應過程，整個反應過程受多個因素的影響，不同的因素相互作用，所以很難調試獲得最佳的刻蝕參數配置，即使獲得了也要付出大量人力和時間。

在刻蝕有機物材料層如無定形碳或聚合物層時，通常會用O₂ 刻蝕，並同時添加含硫成份的氣體。含硫成份的氣體中的硫會在側壁和碳形成碳硫鍵，防止氧與側壁上的碳反應，或者在溫度低於室溫時，可以在側壁形成硫的沉積層，在刻蝕完成後加溫，沉積的硫就昇華去除掉了。但是這樣的側壁保護也存在問題，因為O₂ 會與側壁保護氣體中的硫反應形成SO₂ ，不僅減弱了刻蝕速率與側壁保護的效果，還會對整個反應腔和排氣系統形成污染。SO₂ 還會造成光刻膠的刻蝕選擇比下降，進一步會造成圖形尺寸精度下降。

所以業界需要一個全面解決等離子刻蝕中側壁保護的方法，以實現高精度、快速高效、無反應腔污染的刻蝕。

本發明的目的在於提供一種刻蝕含碳層的等離子刻蝕方法，其不僅能夠提供較好的形貌控制，而且可以實現高精度、快速高效、無反應腔污染的刻蝕。

本發明是通過以下技術方法實現的：一種刻蝕含碳層的等離子刻蝕方法，包括：刻蝕步驟，提供一刻蝕氣體在等離子體作用下對所述含碳層進行刻蝕，並刻蝕至一定深度，以露出一刻蝕介面，所述刻蝕介面包括側壁；側壁鈍化步驟，提供一含硫成份的反應氣體，在等離子體作用下，在所述刻蝕介面的側壁形成含硫成份的側壁保護層，沉積或附著在所述刻蝕介面的側壁表面；交替循環所述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟，直到刻蝕到達目標深度。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：使用本發明的等離子刻蝕方法，可以使刻蝕步驟和側壁鈍化步驟相互獨立進行而不會互相干擾、影響，在刻蝕步驟中僅向反應腔內通入刻蝕反應氣體而專門進行刻蝕反應，而在側壁鈍化步驟時僅向反應腔內通入含硫成份的反應氣體而專門進行側壁鈍化反應，使刻蝕步驟和側壁鈍化步驟更高效、刻蝕或側壁鈍化處理的速率更高，並且不會產生如現有技術中將刻蝕反應氣體和含硫成份的反應氣體因混合反應而導致的整體刻蝕速率低和反應腔污染問題。同時，使用本發明的等離子刻蝕方法刻蝕出來的形貌不會出現弓形，也不會出現關鍵尺寸偏移的問題。

本發明提供一種刻蝕含碳層的等離子刻蝕方法，包括相互獨立進行的刻蝕步驟和側壁鈍化步驟(側壁保護步驟)，並且在刻蝕過程中交替循環所述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟，直到刻蝕到達目標深度。其中，在刻蝕步驟中，向反應腔內提供一刻蝕氣體，在等離子體作用下，對所述含碳層進行刻蝕，並刻蝕至一定深度，以露出一刻蝕介面，所述刻蝕介面包括側壁；在側壁鈍化步驟中，提供一含硫成份的反應氣體，在等離子體作用下，在所述刻蝕介面的側壁形成含硫成份的側壁保護層，沉積或附著在所述刻蝕介面的側壁表面。

使用本發明的等離子刻蝕方法刻蝕含碳層，可以使刻蝕步驟和側壁鈍化步驟相互獨立進行而不會互相干擾、影響，在刻蝕步驟中僅向反應腔內通入刻蝕反應氣體而專門進行刻蝕反應，而在側壁鈍化步驟時僅向反應腔內通入含硫成份的反應氣體而專門進行沉積反應，使刻蝕步驟和側壁鈍化步驟更高效、刻蝕或沉積處理的速率更高，並且不會產生如現有技術中將刻蝕反應氣體和含硫成份的反應氣體因混合反應而導致的整體刻蝕速率低和反應腔污染問題。同時，使用本發明的等離子刻蝕方法刻蝕出來的形貌不會出現弓形，也不會出現關鍵尺寸偏移的問題。

本發明含碳層的等離子刻蝕方法可以應用在典型的如電容耦合型(CCP)或電感耦合型(ICP)反應腔中。在電容耦合型反應腔中，通過施加高頻射頻功率源(如13MHZ或60MHZ)到上下電極之間，以產生等離子體。還可以進一步施加低頻射頻功率源(比如2MHZ)到放置被處理基片的下電極，以控制離子入射的能量。在採用ICP等離子反應腔時，高頻射頻功率源被施加到一個或多個電感線圈，線圈中流過的電流產生的高頻電磁場穿過絕緣材料(如，石英)的視窗被耦合到反應腔中，反應腔中的氣體被電離後產生等離子體。在採用ICP等離子體反應腔時，低頻射頻功率源與在採用CCP等離子源一樣，可以被接到放置處理基片的下電極以控制離子入射的能量。

圖1示出了運用本發明一個具體實施例的刻蝕方法來刻蝕的晶圓結構圖，它包括運用本發明刻蝕方法來刻蝕的含碳層。如圖1所示，在基片40上沉積有一層氧化矽層30，在所述氧化矽層30之上設置有待刻蝕的含碳的第二掩膜層20，該第二掩膜層20可以選自無定形碳或者其他有機物層，比如碳氫化合物。在第二掩膜層20之上設置圖形化的第一掩膜層11，通過第一掩膜層11將圖形轉移到第二掩膜層20上。因此，第一掩膜層11與第二掩膜層20材料的選擇使得在利用第一掩膜層11刻蝕第二掩膜層20時具有很高的選擇比(selectivity)。在本實施例中，第一掩膜層11可以是含矽材料的層，比如，這種含矽材料的掩膜層可以選自於SiO₂ 、SiOF、SiOC、SiOCH、Si₃ N₄ 材料層中的一種。但是本領域技術人員應當理解，在保證符合工藝要求的選擇比的前提下，上述第一掩膜層材料的選擇可擴展到其他材料。

在利用第一掩膜層11刻蝕含碳的第二掩膜層20時，本發明將整個刻蝕過程分成交替進行的刻蝕步驟和側壁鈍化步驟(側壁保護步驟)，直到刻蝕到達目標深度。具體而言，請參考圖2至圖5，圖2為根據本發明的一個具體實施例的本發明方法對含碳的第二掩膜層20進行第一次刻蝕步驟後所得到的結構示意圖，圖3為根據本發明的一個具體實施例的本發明方法對含碳的第二掩膜層20上形成的介面進行第一次側壁鈍化步驟後所得到的結構示意圖，圖4為根據本發明的一個具體實施例的本發明方法對含碳的第二掩膜層20進行第二次刻蝕步驟後所得到的結構示意圖，圖5為根據本發明的一個具體實施例的本發明方法對含碳的第二掩膜層20上形成的介面進行第二次側壁鈍化步驟後所得到的結構示意圖。由圖2所示，介面50a和50b是由第一次刻蝕步驟形成，其中介面包括側壁50b。在此刻蝕步驟中，向反應腔中通入刻蝕氣體與含碳的第二掩膜層材料20反應，其中該刻蝕氣體可以是任何可以與該含碳的第二掩膜層材料20反應的氣體，優選的，該刻蝕氣體可以是含氧成份的氣體，例如，O₂ 、CO、CO₂ 中的一種或至少兩種的混合物，所述含氧成份的刻蝕氣體與含碳材料反應生成二氧化碳。根據本發明的一個具體實施例，刻蝕氣體還可以包括含氮成份或含氫成份的氣體，例如，H₂ 或N₂ 或NH₃ 或N₂ 、H₂ 及NH₃ 中的至少兩種混合氣體，其與含碳的第二掩膜層材料20反應生成烷類和氨氣，從而實現對第二掩膜層20的刻蝕。作為一種實施方式，在進行此刻蝕步驟時，向反應腔內通入含氧成份的刻蝕氣體使反應腔中的氣壓達到10mT，並向下電極同時施加60MHZ/2MHZ的射頻功率源到反應腔中點燃形成等離子體，並分別控制60MHZ/2MHZ射頻功率源的功率為700/0W，其中含氧成份的刻蝕氣體的流量為100SCCM，持續約二秒左右，使第二掩膜層20刻蝕到一定深度D1時停止刻蝕步驟，並切換進入如圖3所示的聚合物側壁鈍化步驟。

請參閱圖3，在形成圖3所示的結構的側壁鈍化步驟中，向反應腔內提供一含硫成份的反應氣體，在等離子體作用下，在所述刻蝕介面的側壁50b形成含硫成份的側壁保護層21b和保護層21a，側壁保護層21b會阻止在隨後的刻蝕步驟中刻蝕反應氣體與側壁反應，從而保護側壁50b不會在下一次刻蝕步驟中被破壞，因而使用本發明的等離子刻蝕方法刻蝕出來的形貌不會出現弓形，也不會出現關鍵尺寸偏移的問題。本發明中硫成份的沉積反應氣體中的硫可以在與等離子體作用下與刻蝕介面的側壁50b中的碳結合形成聚合物保護層21b(比如，含碳硫鍵化合物)沉積在側壁50b上。在側壁鈍化步驟中通入含硫成份的氣體可以是H₂ S、COS、S_x C_y 、硫與鹵素的化合物如S_x Cl_y 、S_x F_y 、S_x Br_y 等(其中，x，y是大於或等於1的自然數)。作為一種實施方式的舉例，在側壁鈍化步驟中，含硫成份的氣體的流量可以是100sccm，側壁鈍化步驟持續約1秒，使得含硫成份的氣體中的硫和含碳第二掩膜層30的側壁50b上的碳形成碳硫鍵化合物。由於碳硫鍵比碳氧或碳氫鍵結合得更緊密，所以在下一步刻蝕步驟(圖4所示)中，刻蝕反應氣體(如O₂ 或H₂ )就不會與側壁50b中的碳反應，使得側壁50b的形貌不因被刻蝕而改變。當然，在側壁鈍化步驟中，也可以通過控制被處理晶圓表面的溫度，比如使其低於室溫達到0℃以下時，等離子體中的硫也會部分地直接形成固體，而附著在側壁50b的表面上，固體硫也會在側壁50b上形成保護層，有利於在下一步的刻蝕步驟中進行側壁保護，在反應完成後，對晶圓升溫到足夠高，比如90℃，這些硫就會昇華被去除掉了。在完成形成圖3所示結構的側壁鈍化步驟後，停止此側壁鈍化步驟，並切換進入形成如圖4所示結構的刻蝕步驟。

請再參閱圖4，在形成圖4所示的結構的刻蝕步驟中，刻蝕反應氣體、反應條件與形成圖2所示結構的刻蝕步驟相同或作些許調整，使第二掩膜層20刻蝕到一定深度D2(形成新的介面51a與51b)時停止刻蝕步驟，並切換進入如圖5所示的聚合物側壁鈍化步驟。

請再參閱圖5，在形成圖5所示的結構的側壁鈍化步驟中，沉積反應氣體、反應條件與形成圖3所示結構的側壁鈍化步驟相同或作些許調整，使圖4所形成的介面51a、51b上形成側壁保護層22b和保護層22a。然後，再停止此側壁鈍化步驟，並切換進入下一個刻蝕步驟。

交替循環前述刻蝕步驟和聚合物側壁鈍化步驟，直到刻蝕到達目標深度。最終形成如圖6的刻蝕結構。

需要說明的是，在形成圖3所示的結構時，聚合物保護層21a也會形成在介面50a表面。但，聚合物保護層21a會在隨後的刻蝕步驟中會與刻蝕氣體比如氧反應消耗掉一部分，並且由於會很快被入射的等離子轟擊，使得聚合物保護層21a被轟擊掉，所以在整個刻蝕步驟中，刻蝕形成的溝道仍然垂直的向下延伸，而側壁聚合物21b在消耗掉之前仍然能提供較好的側壁保護。所以只要控制好刻蝕的時間和刻蝕氣體流量等參數，使得在刻蝕步驟中側壁的聚合物不被全部消耗完，側壁仍能得到較好的保護。這樣交替的側壁保護與刻蝕經過多個循環到達目標刻蝕深度，而且側壁也具有相對好的外觀輪廓。

上述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟的切換可以是突變式的，亦即，在一次刻蝕步驟完成後準備切換進入隨後的側壁鈍化步驟時，確保刻蝕氣體從反應腔中被完全排空後再通入側壁鈍化步驟的氣體，這樣可以保證在側壁鈍化步驟中的反應氣體不包含前一步驟的刻蝕反應氣體，從而不會使二者混合，不僅不會影響沉積速率和效果，而且也徹底杜絕因二者混合而產生SO2，導致反應腔被污染的問題。

當然，上述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟的切換也可以是漸進式的，亦即，在一次刻蝕步驟完成後準備切換進入隨後的側壁鈍化步驟時，並不等刻蝕氣體從反應腔中被完全排空後再通入側壁鈍化步驟的氣體，比如，在反應腔內還剩少量刻蝕氣體時就開始通入沉積反應氣體，隨著刻蝕氣體被逐漸抽走，沉積反應氣體在反應腔內的濃度逐漸提高到一定程度，沉積反應過程在整個等離子反應中就會占主導，反應進入側壁鈍化步驟。在這種切換方式下，雖然在刻蝕氣體和含硫成份的氣體會有一段時間在反應腔內共存，從而會有部分SO₂ 產生，但是產生SO₂ 的量有限，其在業內是可以接受的，相對現有技術仍然有技術優勢。

由於本發明的刻蝕方法將刻蝕步驟和側壁鈍化步驟分開，使得刻蝕步驟中的氧與側壁鈍化步驟中的硫分別存在於不同步驟中，兩者發生反應互相抵消或影響的機制就不存在了，所以刻蝕的速度和效率比現有技術更高，沉積的速度和效率也比現有技術更高，二者的反應氣體更容易調試優化，而且不會出現如現有技術中因含氧成份的刻蝕氣體和含硫成份的氣體混合共同參與刻蝕反應而使氧與硫反應生成SO₂ ，造成反應腔和排氣系統的污染。

本發明中刻蝕步驟和側壁鈍化步驟交替進行，多個刻蝕-沉積循環後達到所要的刻蝕深度，完成整個含碳層刻蝕的處理步驟。此外，根據本發明的精神和思想，對圖1所示的基片40上的第二掩膜層20進行刻蝕處理之前，也可以先進入側壁鈍化步驟，在側壁鈍化步驟中所用的沉積氣體包括含硫成份的氣體，通過控制施加在晶圓上的低頻(如，2MHZ)的射頻功率的大小，通過離子入射實現對目標有機物層(第二掩膜層20)的刻蝕，雖然刻蝕速度相對較慢，但是會在第一掩膜層11開口處形成一小段刻蝕溝道，溝道側壁形成了本發明在側壁鈍化步驟中添加含硫成份的氣體而形成的耐等離子體腐蝕的側壁保護層。在完成側壁鈍化步驟後接下來再進入正式的刻蝕-沉積循環步驟。

作為一種實施方式，當上述刻蝕氣體採用H2、N2或其化合物NH3等還原類氣體生成烷類和氨氣以實現對第二掩膜層20的刻蝕時，在刻蝕步驟中可以參照用含氧成份的刻蝕氣體實現刻蝕時的參數設置，氣壓可以是10mT，RF功率700/0W(60MHZ/2MHZ)，H2流量100sccm，持續2秒。

圖6是採用本發明方法刻蝕含碳掩膜層20後的效果圖，其中側壁鈍化步驟中形成的側壁保護層21b、22b使得第二掩膜層刻蝕介面的側壁50b、51b基本垂直，達到了較佳的刻蝕效果。

本發明的刻蝕含碳層的等離子刻蝕方法可以用於刻蝕任何含碳的材料層，包括無定形碳層、由有機物組成的層。所述由有機物組成的層是聚合物層、抗反射層(ARC)、底部抗反射層(BARC)、含碳掩膜層中的一種或多種。

本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為准。

11‧‧‧第一掩膜層

20‧‧‧第二掩膜層

21a‧‧‧保護層

21b‧‧‧側壁保護層

22a‧‧‧保護層

22b‧‧‧側壁保護層

30‧‧‧氧化矽層

40‧‧‧基片

50a‧‧‧介面

50b‧‧‧側壁

D1‧‧‧深度

D2‧‧‧深度

圖1示出了運用本發明一個具體實施例的刻蝕方法來刻蝕的晶圓結構圖，它包括運用本發明刻蝕方法來刻蝕的含碳層。

圖2為根據本發明的一個具體實施例的本發明方法對含碳的第二掩膜層20進行第一次刻蝕步驟後所得到的結構示意圖。

圖3為根據本發明的一個具體實施例的本發明方法對含碳的第二掩膜層20上形成的介面進行第一次側壁鈍化步驟後所得到的結構示意圖。

圖4為根據本發明的一個具體實施例的本發明方法對含碳的第二掩膜層20進行第二次刻蝕步驟後所得到的結構示意圖。

圖5為根據本發明的一個具體實施例的本發明方法對含碳的第二掩膜層20上形成的介面進行第二次側壁鈍化步驟後所得到的結構示意圖。

圖6為根據本發明的一個具體實施例的本發明方法對含碳的第二掩膜層20刻蝕後最終形成的結構示意圖。

圖7是現有技術中的含碳層刻蝕結果示意圖。

11．．．第一掩膜層

20．．．第二掩膜層

30．．．氧化矽層

40．．．基片

50a．．．介面

50b．．．側壁

D1．．．深度

Claims (11)

1. 一種刻蝕含碳層的等離子刻蝕方法，其中所述含碳層作為掩膜層刻蝕位於其下方的氧化矽層，所述含碳層是無定形碳層，包括：刻蝕步驟，提供一刻蝕氣體在等離子體作用下對所述含碳層進行刻蝕，並刻蝕至一定深度，以露出一刻蝕介面，所述刻蝕介面包括側壁；側壁鈍化步驟，提供一含硫成份的反應氣體，在等離子體作用下，在所述刻蝕介面的側壁形成含硫成份的側壁保護層，附著在所述刻蝕介面的側壁表面；交替循環所述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟，直到刻蝕到達目標深度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的刻蝕方法，其中，所述刻蝕氣體包括含氧成份的氣體。
3. 如申請專利範圍第2項所述的刻蝕方法，其中，所述含氧成份的氣體選自於O₂ 、CO、CO₂ 中的一種或至少兩種的混合物。
4. 如申請專利範圍第1項所述的刻蝕方法，其中，所述刻蝕氣體包括含氮成份或含氫成份的氣體。
5. 如申請專利範圍第4項所述的刻蝕方法，其中，所述含氮或含氫刻蝕氣體包括N₂ 或H₂ 或NH₃ 或N₂ 、H₂ 及NH₃ 中的至少兩種混合氣體。
6. 如申請專利範圍第1項所述的刻蝕方法，其中，所述含硫成份的反應氣體選自COS、H₂ S、CS₂ 、S₂ Cl₂ 中的一種或所列氣體中的至少兩種的混合物。
7. 如申請專利範圍第1項所述的刻蝕方法，其中，所述含硫成份的反應氣體為成份含硫與鹵素的化合物氣體。
8. 如申請專利範圍第1項所述的刻蝕方法，其中，所述含碳層包括由有機物組成的層。
9. 如申請專利範圍第8項所述的刻蝕方法，其中，所述由有機物組成的層是聚合物層、抗反射層(ARC)、底部抗反射層(BARC)、含碳掩膜層中的一種或多種。
10. 如申請專利範圍第1項所述的刻蝕方法，其中，所述含碳層上方有一層含矽材料的掩膜。
11. 如申請專利範圍第10項所述的刻蝕方法，其中，所述含矽材料的掩膜選自於SiO₂ 、SiOF、SiOC、SiOCH、Si₃ N₄ 材料層中的一種。